我为祖国做科研 | 上天入海，他们用激光为祖国看世界
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2020年我国在联合国大会上向世界宣布2030年前“碳达峰”、2060年前“碳中和”的雄伟目标。在全球气候变化与环境恶化的背景下，如何切实推动“减污降碳”目标的达成及争夺国际环境外交话语权，需要实现更加准确全面的大气、海洋生态环境监测，从而为全球环境气候问题贡献中国智慧、提出中国方案、发出中国声音。
浙江大学光电科学与工程学院2017级光学工程专业博士生王南朝与他所在课题组的同学们在导师刘东教授、刘崇教授的共同指导下，将高光谱分辨率激光雷达这一技术与国家生态环境立体监测的需求相结合，围绕“大气气溶胶、云及海洋颗粒物特性立体监测”这一科学问题开展研究，相关成果应用于我国大气环境监测卫星（已发射）、高精度温室气体综合探测卫星（准备发射）及陆海激光雷达卫星（预研）等国家重大科学工程及任务中，自主研制的激光雷达系统，受邀参与了北京冬奥会的气象保障工作，助力冬奥会打赢“蓝天保卫战”。
王南朝所在的浙江大学刘东教授、刘崇教授课题组
“科研的过程总是有些枯燥的，除了我以外还有团队里的许多小伙伴，经常会因为频繁的挫折和失败感到气馁。但是，我们做出来的成果能为人民和国家所用，是支撑我们坚持下去的最重要动力源泉。”王南朝这样说。
2017级光学工程专业博士生王南朝
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国际交流知差距 技术积累成创新
由于环境激光雷达涉及的学科众多、系统复杂、造价较高，国内外从事环境激光雷达的研究团队并不算非常多。特别是，高光谱分辨率激光雷达作为环境激光雷达领域中的尖端技术之一，主要被世界各大国及重要地区的 “国字号”单位如美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、德国宇航中心（DLR）、日本国立环境研究所（NIES）等关注。
得益于浙江大学及导师对国际等学术交流的重视，王南朝有幸多次参加国内外学术会议。在谈及参会经历时，王南朝说“直观的感觉是激光雷达能为环境做的事情实在太多了，并且具有不可替代的重要性。但我们课题组之前主要关注光学系统的研制，虽然我们在硬件技术上已经不弱于国际上的先进水平，但对于激光雷达的应用方面关注得比较少，有比较大的提升空间。”
王南朝（左二）及Edwin Eloranta教授（右二）在国际激光雷达会议的合影留念
为与国际接轨，导师带领课题组先后于2018年和2019年在浙江杭州举办了海洋光学遥感国际研讨会（OORS 2018）及第六届大气光散射和遥测国际学术研讨会（ISALSaRS’19），使得课题组所有同学获得了更多与国际专家交流的机会。当在国际会议上看到国外同行的研究与自己独立提出的研究思路非常相似时，王南朝深深体会到了与同行相互学习、相互竞赛的快乐与兴奋。
课题组举办的第六届大气光散射和遥测国际学术研讨会中，业界同行积极交流
大气探测现成果 服务卫星与奥运
2020年冬到2021年春，王南朝所在课题组与北京大学的毛节泰教授、李婧副教授、李成才副教授联合课题组合作，在北京开展了近半年的外场实验，研究我国华北地区的气象特点及雾霾成因等，同时也是对课题组自主研发的高光谱分辨率激光雷达系统样机做一次检验。王南朝是此次外场实验的主要负责人之一。当时的激光雷达系统已初步实现远程无人值守运行，但北京冬季较为寒冷、春季常遭遇沙尘天气，给团队带来了很大考验。因此，他既要对实验测得的数据进行系统分析，又要保障激光雷达系统的正常工作，最终确保了外场实验顺利进行。北京大学的合作老师对此次合作十分满意：“我们之前也高价购买了国外的激光雷达，但对比之下浙大的激光雷达探测结果更细腻，给出的环境变化过程更清楚”。
王南朝与课题组成员共同研发的
大气高光谱分辨率激光雷达样机
由于仪器优良的探测性能，课题组决定尝试利用所获得的数据，对大气科学领域公认的科学难题——云与气溶胶相互作用——进行分析。这对于主要研究硬件系统的王南朝来说是个全新的领域，从参数反演、比对验证，再到对所观测到的实验现象分析等都需要不断摸索，为此他与导师及课题组同学开了不计其数的讨论会，也频频请教国内外相关领域专家学者。经过一年的努力和钻研，王南朝以第一作者成功在国际顶级综合期刊《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）上发表了相关成果。这是该技术的首次报道，它克服了传统遥感方法需要先验假设的缺点，实现了对水云微物理特性及气溶胶光学特性垂直结构的全天时、高时空分辨率的精确测量，并通过实测数据验证了云与气溶胶相互作用中的关键机理。
王南朝在国际顶级综合期刊PNAS上所发表论文
2021年夏季我国首颗大气环境监测卫星DQ-1号拟在正式发射前开展机载样机校飞试验，邀请了刘东教授、刘崇教授课题组自主研发的高光谱分辨率激光雷达系统作为星载样机的地基性能验证仪器。紧接着，课题组又受邀参与了北京冬奥会气象保障工作，助力冬奥会打赢“蓝天保卫战”。根据之前多次外场实验的经验，王南朝和课题组成员均圆满完成了相关工作，为祖国的大气环境气象事业贡献了自己的一份力量。
王南朝（右一）及课题组成员在外场实验合影留念
大气海洋连枝叶 扬帆远航下五洋
早在2014年，王南朝的导师刘东教授就曾设想将大气领域的高光谱分辨率激光雷达技术应用于海洋探测中，但受限于相关技术手段尚未成熟，迟迟未能开展。直到课题组突破了大气领域的相关技术瓶颈后，海洋高光谱分辨率激光雷达的快速发展才变得顺理成章。王南朝回忆当时的情景时说：“2019年我们课题组在大气高光谱分辨率激光雷达上取得了很大进展，导师立刻与我及当时还是博士生而现在已是课题组助理研究员的周雨迪老师交流，希望迁移应用到海洋探测方面。我们展开了多次讨论并一起做了大量理论估算，感觉可以实现，便即刻行动了起来”。
王南朝与课题组成员当时预计半年左右时间即可基本实现海洋高光谱分辨率激光雷达系统的整体构建。然而，实际情况并未如想象中乐观，要在复杂多变的海上环境长期稳定运行远比干净舒适的光学超净间要困难得多，船上的颠簸、潮湿的海风以及甲板上的炙烤等环境都给激光雷达的正常运行带来了巨大考验，甚至行进过程中产生的朵朵浪花都会对探测效果造成很大影响。最终，大家花了近一年的时间才解决了相关工程问题，甚至直到激光雷达系统被运往科考的前一天还在紧张地调试。幸运的是，整个航次的观测过程十分顺利，课题组所构建的国内首套海洋高光谱分辨率激光雷达因此成名。
左图：王南朝（右一）与课题组成员在海试实验出发前合影留念；右图：央视新闻报道
自2020年海试归来后，在海洋高光谱分辨率激光雷达基础上，王南朝所在课题组进一步开发了适用于海洋环境要素的反演算法，相关成果目前已投稿至国际顶级光学期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications, LSA）上，该期刊是由中国科学院长春精密机械与物理研究所与自然出版集团（Nature Publishing Group， NPG）合作出版。王南朝还提到，目前返回的审稿意见较为积极，评审专家都非常支持这项工作，并且在2022年下半年课题组的大气、海洋高光谱分辨率激光雷达系统将前往北冰洋执行北极科考任务，为祖国瞭望更宽广的世界。
左图：2020年执行东海、南海航次实验的科考船全貌；右图：王南朝与课题组成员所共同研发的海洋高光谱分辨率激光雷达正在工作中
结
语
“积土成山，非斯须之作”。王南朝和他所在课题组团队一直在环境激光雷达领域耕耘不辍，正是有了课题组长期的技术积累，才最终呈现出累累硕果。他们走南闯北、扬帆远航，为祖国提供一双慧眼，穿透难以捉摸的大气和海洋，保障着祖国的生态环境安全。
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